RU2703922C2 - Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts - Google Patents

Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts Download PDF

Info

Publication number
RU2703922C2
RU2703922C2 RU2016148711A RU2016148711A RU2703922C2 RU 2703922 C2 RU2703922 C2 RU 2703922C2 RU 2016148711 A RU2016148711 A RU 2016148711A RU 2016148711 A RU2016148711 A RU 2016148711A RU 2703922 C2 RU2703922 C2 RU 2703922C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
type
layer
layers
thickness
gaas
Prior art date
Application number
RU2016148711A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016148711A3 (en
RU2016148711A (en
Inventor
Сергей Анатольевич Блохин
Николай Анатольевич Малеев
Александр Георгиевич Кузьменков
Виктор Михайлович Устинов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2016148711A priority Critical patent/RU2703922C2/en
Publication of RU2016148711A publication Critical patent/RU2016148711A/en
Publication of RU2016148711A3 publication Critical patent/RU2016148711A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2703922C2 publication Critical patent/RU2703922C2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering. Long-wave vertical-emitting laser includes semi-insulating substrate of GaAs, lower undoped distributed Bragg reflector (DBR), an intracavity contact layer of n-type, an n-type composite grid containing at least one oxide optical aperture. Laser also comprises an unalloyed optical resonator comprising an active medium based on at least three rows of quantum dots InAs/InGaAs, a p-type composite grid comprising at least one oxide current aperture, p-type intracavity contact layer, p-type contact layer with mode selection and upper dielectric DBR.
EFFECT: technical result consists in reduction of threshold current and electric resistance and in operation in mode of single-mode generation in spectral range 1,3 mcm.
18 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится электронной технике, а более конкретно к полупроводниковым лазерам с лучеиспускающей поверхностью (se-лазеры) и преимущественно к лазерам с вертикальным резонатором (vcse-лазеры), и может быть использовано для создания полупроводниковых вертикально-излучающих лазеров, работающих в спектральном диапазоне 1,3 мкм.The invention relates to electronic equipment, and more particularly to semiconductor lasers with a radiating surface (se-lasers) and mainly to lasers with a vertical resonator (vcse-lasers), and can be used to create semiconductor vertically emitting lasers operating in the spectral range 1, 3 microns.

Полупроводниковые вертикально-излучающие лазеры вытесняют маломощные лазеры с резонатором Фабри-Перо и торцевым выводом излучения (т.н. торцовые лазеры) в системах оптической передачи данных и различных типах датчиков/сенсоров. Вертикально-излучающие лазеры ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (850/980 нм) широко применяют в оптических компьютерных мышах и высокоскоростных системах передачи данных ближнего действия на основе многомодовых оптоволоконных сетей (межсистемный обмен информацией). Длинноволновые вертикально-излучающие лазеры в основном позиционируются как альтернатива торцевым лазерам, применяемым в оптических линиях связи на средних дистанциях или в системах широкополосной передачи данных. В последнее время растет интерес к интеграции технологии длинноволновых вертикально-излучающих лазеров с кремниевой технологией, что позволит создать приемо-передающие устройства для внутрисистемного обмена информацией в мощных вычислительных системах (например, между процессором и памятью), снимающие физические ограничения на скорость передачи данных, накладываемые медными проводниками. Длинноволновые вертикально-излучающие лазеры также перспективны для аналоговой передачи высокочастотного сигнала по оптоволокну в системах связи стандарта «радио по волокну» или функциональных элементах радиофотоники специального назначения. С учетом существенного роста поглощения на свободных носителях в легированных слоях проблема одновременного обеспечения высокого материального усиления активной области, эффективного токового ограничения, высокого отражения брэгговских зеркал и низкого теплового сопротивления приборов без значительного усложнения технологии изготовления лазеров до сих пор актуальна. Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является применение монолитной или гибридной конструкции вертикально-излучающего лазера на подложках GaAs с оксидной токовой апертурой и внутрирезонаторными контактами, где в качестве активной области могут выступать либо сильнонапряженные квантовые ямы InGaAsN(Sb), либо массивы квантовых точек In(Ga)As. Следует отметить, что конструкция таких лазеров должна быть не только технологичной, но и обеспечивать надежные омические контакты при малом уровне внутренних оптических потерь.Semiconductor vertical-emitting lasers displace low-power lasers with a Fabry-Perot resonator and end output radiation (so-called end lasers) in optical data transmission systems and various types of sensors / sensors. Vertical-emitting near-infrared (IR) lasers (850/980 nm) are widely used in optical computer mice and high-speed short-range data transmission systems based on multimode fiber optic networks (intersystem information exchange). Long-wave vertical-emitting lasers are mainly positioned as an alternative to end lasers used in optical communication lines at medium distances or in broadband data transmission systems. Recently, there has been growing interest in the integration of long-wavelength vertical-emitting laser technology with silicon technology, which will allow the creation of transceiver devices for intra-system information exchange in powerful computing systems (for example, between the processor and memory), which remove physical restrictions on the data transfer rate imposed copper conductors. Long-wave vertical-emitting lasers are also promising for analog transmission of a high-frequency signal through optical fiber in communication systems of the standard "radio fiber" or functional elements of radio photonics for special purposes. Given the significant increase in absorption on free carriers in doped layers, the problem of simultaneously providing high material gain in the active region, effective current limitation, high reflection of Bragg mirrors and low thermal resistance of devices without significant complication of laser manufacturing technology is still relevant. One of the promising directions for solving this problem is the use of a monolithic or hybrid design of a vertically emitting laser on GaAs substrates with an oxide current aperture and intracavity contacts, where either InGaAsN (Sb) highly stressed quantum wells or In (QD) arrays can act as an active region Ga) As. It should be noted that the design of such lasers should not only be technologically advanced, but also provide reliable ohmic contacts at a low level of internal optical loss.

Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 7020172, МПК H01S 5/00, опубликован 28.03.2006), содержащий полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, активную среду на основе квантовых ям InGaAsN, оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, диэлектрический фазокорректирующий слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторный контактный слой p-типа имеет модулированный профиль легирования: средний уровень легирования в диапазоне 5⋅1019-1018 см-3 с периодическим повышением легирования до 2⋅1019-2⋅1020 см-3 на протяжении не более 30 нм (так называемые сильнолегированные вставки, располагаются в нуле электромагнитного поля оптической моды резонатора). Для улучшения сопротивления возможно смещение сильнолегированной вставки к верхнему краю внутрирезонаторного контактного слоя и применение стоп-слоя AlAs для последующего селективного удаления сильнолегированной вставки вне площади электрического контакта p-типа. Диэлектрический фазокорректирующий слой предназначен только для согласования набега фазы при распространении света в полупроводниковой части лазера с набегом фазы в диэлектрическом РБО.Known long-wave vertical emitting laser with intracavity contacts (see patent US 7020172, IPC H01S 5/00, published March 28, 2006) containing a semi-insulating GaAs substrate, a lower undoped semiconductor distributed Bragg reflector (RBO), an intracavity n-type contact layer, n-type electrical contact, optical resonator, InGaAsN quantum well active medium, oxide current aperture, p-type intracavity contact layer, p-type electrical contact, dielectric phase-correcting layer and upper dielectric RBO. The p-type intracavity contact layer has a modulated doping profile: the average doping level is in the range 5⋅10 19 -10 18 cm -3 with a periodic increase in doping to 2⋅10 19 -2⋅10 20 cm -3 over a maximum of 30 nm ( the so-called heavily doped inserts are located at zero of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator). To improve the resistance, it is possible to shift the heavily alloyed insert to the upper edge of the intracavity contact layer and use the AlAs stop layer for subsequent selective removal of the heavily alloyed insert outside the p-type electrical contact area. The dielectric phase-correcting layer is intended only for matching the phase incidence during light propagation in the semiconductor part of the laser with the phase incidence in the dielectric RBO.

Недостатком известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является применение относительно толстых сильнолегированных вставок в внутрирезонаторных контактных слоях, что ведет к высоким оптическим потерям на свободных носителях и росту порогового тока. Применение сильнонапряженных квантовых ям InGaAsN сопряжено с фазовой сегрегацией, увеличением упругих напряжений, образованием дефектов, что негативно сказывается на надежности конечного прибора. Конструкция внутрирезонаторного контактного слоя n-типа не обеспечивает эффективное растекание тока по площади апертуры, в результате происходит концентрирование тока на периферии токовой апертуры и, как следствие, рост внутренних оптических потерь на радиационных дефектах и падение оптического усиления для основной поперечной моды оптического резонатора. Более того, бинарное соединение AlAs химически крайне активно и его применение в качестве стоп-слоя сопряжено с рядом технологических проблем и ухудшением механической стабильности омического контакта p-типа (нежелательное латеральное окисление AlAs).A disadvantage of the known long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts is the use of relatively thick highly doped inserts in the intracavity contact layers, which leads to high optical losses on free carriers and an increase in the threshold current. The use of highly stressed InGaAsN quantum wells is associated with phase segregation, an increase in elastic stresses, and the formation of defects, which negatively affects the reliability of the final device. The design of the n-type intracavity contact layer does not provide effective current spreading over the aperture area; as a result, the current is concentrated on the periphery of the current aperture and, as a result, the internal optical losses due to radiation defects increase and the optical gain decreases for the main transverse mode of the optical resonator. Moreover, the AlAs binary compound is chemically extremely active and its use as a stop layer is associated with a number of technological problems and a deterioration in the mechanical stability of the p-type ohmic contact (undesired lateral oxidation of AlAs).

Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 8451875, МПК H01S 5/343, опубликован 28.05.2013), содержащий полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, активную среду на основе квантовых ям InGaAsNSb, оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, нелегированный фазокорректирующий слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторные контактные слои имеют модулированный профиль легирования: средний уровень легирования в диапазоне 1-3⋅1017 см-3 с 2-3 сильнолегированными (до 5⋅1018 см-3 для n-типа и 5⋅1019-1020 см-3 для p-типа) вставками толщиной 25-40 нм (располагаются в нуле электромагнитного поля оптической моды резонатора). В случае применения верхнего нелегированного полупроводникового РБО для прецизионного травления РБО до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя p-типа между ним и нелегированным фазокорректирующим слоем дополнительно вставляют стоп-слой AlGaAs с толщиной, равной резонансной длине волны лазера в материале слоя. Нелегированный фазокорректирующий слой компенсирует набег фазы при распространении света во внутрирезонаторном контактном слое p-типа, и согласует оптический резонатор и с зеркалами.A long-wavelength vertical-emitting laser with intracavity contacts is known (see US patent 8451875, IPC H01S 5/343, published May 28, 2013) containing a GaAs semi-insulating substrate, a lower undoped semiconductor DBR, an n-type intracavity contact layer, an n-type electrical contact , optical resonator, InGaAsNSb quantum well active medium, oxide current aperture, p-type intracavity contact layer, p-type electric contact, undoped phase-correcting layer, and upper dielectric RBO. The intracavity contact layers have a modulated doping profile: the average doping level is in the range 1-3⋅10 17 cm -3 with 2-3 heavily doped (up to 5⋅10 18 cm -3 for the n-type and 5⋅10 19 -10 20 cm - 3 for p-type) inserts with a thickness of 25-40 nm (located at zero of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator). In the case of using an upper undoped semiconductor DBR for precision etching of the DBR to the surface of the p-type intracavity contact layer, an AlGaAs stop layer with a thickness equal to the resonant laser wavelength in the layer material is additionally inserted between it and the undoped phase-correcting layer. An undoped phase-correcting layer compensates for phase incursion during light propagation in the p-type intracavity contact layer, and matches the optical resonator with mirrors as well.

Конструкция известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами не позволяют уменьшить долю энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторных контактных слоях, что в совокупности с относительно толстыми и сильнолегированными вставками p-типа в светоизлучающей области лазера негативно сказывается на уровне внутренних оптических потерь и ведет к росту порогового тока. Добавление сурьмы (которая выступает в роли сурфактанта) в четверное соединение InGaAsN способствует лишь увеличению количества встраиваемого азота, однако это не избавляет от проблем, присущих квантовым ямам InGaAsN.The design of the known long-wavelength vertical-emitting laser with intracavity contacts does not allow reducing the fraction of the electromagnetic field energy of the optical mode of the resonator in the intracavity contact layers, which, together with the relatively thick and heavily doped p-type inserts in the light-emitting region of the laser, negatively affects the level of internal optical losses and leads to to increase the threshold current. The addition of antimony (which acts as a surfactant) to the InGaAsN quaternary compound only contributes to an increase in the amount of built-in nitrogen, but this does not eliminate the problems inherent in InGaAsN quantum wells.

Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 7907653, МПК H01S 3/10, H01S 5/00, H01S 3/08, опубликован 15.03.2011), содержащий подложку GaAs, нижний нелегированный полупроводниковый РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий активную среду на основе квантовых ям InGaAsN(Sb) или квантовых точек In(Ga)As, оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа, фазокорректирующий диэлектрический слой и верхний диэлектрический РБО. Внутрирезонаторный контактный слой p-типа оканчивается сильнолегированным слоем (располагается в нуле электромагнитного поля оптической моды резонатора) для формирования омического контакта p+-типа. Фазокорректирующий диэлектрический слой согласует набег фазы во внутрирезонаторном контактном слое с набегом фазы в диэлектрическом РБО, а также способствует реализации одномодового режима генерации (его латеральный размер должен быть больше токовой апертуры на 2,5-6,0 мкм, при оптимальном диаметре токовой апертуры 4,5-6,5 мкм).Known long-wave vertical emitting laser with intracavity contacts (see patent US 7907653, IPC H01S 3/10, H01S 5/00, H01S 3/08, published March 15, 2011) containing a GaAs substrate, a lower undoped semiconductor RBO, an intracavity contact layer n-type, n-type electrical contact, optical resonator containing an active medium based on InGaAsN (Sb) quantum wells or In (Ga) As quantum dots, oxide current aperture, p-type intracavity contact layer, p-type electrical contact, phase-correcting dielectric layer and upper th dielectric RBO. The p-type intracavity contact layer terminates in a heavily doped layer (located at the zero of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator) to form an ohmic p + type contact. The phase-correcting dielectric layer harmonizes the phase incursion in the intracavity contact layer with the phase incidence in the dielectric RBD, and also contributes to the implementation of the single-mode generation mode (its lateral size should be 2.5-6.0 μm larger than the current aperture, with the current aperture diameter being 4, 5-6.5 microns).

Недостатком известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является использование сильнолегированного слоя p+-типа вблизи оптического резонатора в пределах светоизлучающей области лазера, что ведет к дополнительным оптическим потерям на свободных носителях. Кроме того, конструкция известного лазера не обеспечивает эффективное растекание тока по площади апертуры и уменьшение доли энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторном контактном слое p-типа, что, в конечном счете, ведет к росту порогового тока.A disadvantage of the known long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts is the use of a heavily doped p + -type layer near the optical cavity within the light-emitting region of the laser, which leads to additional optical losses on free carriers. In addition, the design of the known laser does not provide effective current spreading over the aperture area and a decrease in the fraction of the electromagnetic field energy of the optical mode of the resonator in the p-type intracavity contact layer, which ultimately leads to an increase in the threshold current.

Известен длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US7330495, МПК H01S 3/08, опубликован 12.02.2008), содержащий электрический контакт n-типа, подложку GaAs n-типа, нижний полупроводниковый РБО n-типа, оптический резонатор, содержащий активную среду на основе квантовых точек InGaAs (InGaAsN), оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, электрический контакт p-типа и верхний нелегированный РБО на основе четвертьволновых слоев GaAs и (AlGa)xOy. Применение GaAs/(AlGa)xOy РБО в качестве выводного зеркала потенциально позволяет достичь высокой отражательной способности зеркала при меньшем количестве пар по сравнению с полупроводниковыми и диэлектрическими РБО.Known long-wave vertical emitting laser with intracavity contacts (see patent US7330495, IPC H01S 3/08, published 02/12/2008) containing an n-type electrical contact, n-type GaAs substrate, n-type lower semiconductor RBO, optical resonator, containing an active medium based on InGaAs quantum dots (InGaAsN), an oxide current aperture, a p-type intracavity contact layer, a p-type electrical contact, and an upper undoped DBR based on quarter-wave GaAs and (AlGa) x O y layers. The use of GaAs / (AlGa) x O y RBOs as an output mirror potentially makes it possible to achieve high reflectivity of the mirror with fewer pairs compared to semiconductor and dielectric DBRs.

Недостатком известного длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является применение схемы с одним внутрирезонаторным контактом, что не позволяет избежать оптических потерь в легированном РБО n-типа (происходит поглощение на свободных носителях и рассеяние на гетероинтерфейсах с высоким легированием). Использование толстых оксидных слоев (AlGa)xOy сопряжено с проблемой механической стабильности GaAs/(AlGa)xOy РБО, так как слои AlGaAs после селективного окисления подвержены сжатию в среднем на 4-10% (в зависимости от содержания Ga). Кроме того, схема инжекции через внутрирезонаторный контактный слой p-типа не предусматривает возможности перераспределения интенсивности электромагнитного поля оптической моды резонатора в слоях р-типа для снижения поглощения на свободных носителях.A disadvantage of the known long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts is the use of a circuit with one intracavity contact, which does not allow to avoid optical losses in doped n-type DBRs (absorption on free carriers and scattering on heterointerfaces with high doping). The use of thick oxide layers (AlGa) x O y is associated with the problem of mechanical stability of GaAs / (AlGa) x O y RBO, since AlGaAs layers after compression are subjected to compression by an average of 4-10% (depending on the Ga content). In addition, the injection scheme through the intracavity p-type contact layer does not provide for the possibility of redistributing the intensity of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator in the p-type layers to reduce absorption on free carriers.

Наиболее близким к настоящему техническому решению по совокупности существенных признаков является длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 6782021, МПК H01S 5/34, H01L 29/06, опубликован 24.08.2004), принятый за прототип. Лазер-прототип содержит подложку GaAs, нижний GaAs/(AlGa)xOy РБО, внутрирезонаторный контактный слой n-типа с нижней оксидной апертурой, электрический контакт n-типа, оптический резонатор, содержащий два слоя для управления продольной модой (mode control layer) и активную среду на основе квантовых точек InGaAs/InAs/InGaAs, внутрирезонаторный контактный слой p-типа с верхней оксидной токовой апертурой, электрический контакт p-типа и верхний GaAs/(AlGa)xOy РБО. Общая толщина каждого внутрирезонаторного контактного слоя равна λ/2n (где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикально-излучающего лазера), причем половина слоя может быть легирована до уровня (1-3)⋅1018 см-3 для получения омического контакта. В лазере-прототипе важную роль играет то обстоятельство, что между внутрирезонаторными контактными слоями и активной средой располагаются четвертьволновые слои с меньшим показателя преломления прилегающих слоев (mode control layer), с целью увеличения интенсивности электромагнитного поля продольной оптической моды резонатора в квантовых точках и уменьшения ее интенсивности в внутрирезонаторных контактных слоях. Утверждается, что применение одновременно двух оксидных токовых апертур позволяет увеличить перекрытие активной среды с электромагнитным полем оптической моды резонатора (так называемый продольный фактор оптического ограничения) и уменьшить объем моды, а использование GaAs/(AlGa)xOy РБО позволяет реализовать зеркала с высокой отражательной способностью и низкими внутренними потерями. Для увеличения плотности квантовых точек предлагается осаждать точки на «зародышевый» слой InGaAs (представляют собой мелкие квантовые точки InGaAs с повышенной плотностью).The closest to this technical solution for the combination of essential features is a long-wave vertical emitting laser with intracavity contacts (see patent US 6782021, IPC H01S 5/34, H01L 29/06, published 24.08.2004), adopted as a prototype. The prototype laser contains a GaAs substrate, a lower GaAs / (AlGa) x O y RBO, an n-type intracavity contact layer with a lower oxide aperture, an n-type electrical contact, an optical resonator containing two layers for controlling the longitudinal mode (mode control layer) and an active medium based on InGaAs / InAs / InGaAs quantum dots, a p-type intracavity contact layer with an upper oxide current aperture, a p-type electrical contact, and an upper GaAs / (AlGa) x O y RBO. The total thickness of each intracavity contact layer is λ / 2n (where n is the refractive index of the corresponding layer, λ is the resonant wavelength of a vertically emitting laser), and half of the layer can be doped to a level of (1-3) ⋅10 18 cm -3 for receiving ohmic contact. An important role in the prototype laser is played by the fact that between the intracavity contact layers and the active medium there are quarter-wave layers with a lower refractive index of adjacent layers (mode control layer) in order to increase the electromagnetic field intensity of the longitudinal optical mode of the resonator in quantum dots and reduce its intensity in intracavity contact layers. It is argued that the use of two oxide current apertures simultaneously allows one to increase the overlap of the active medium with the electromagnetic field of the optical mode of the resonator (the so-called longitudinal optical confinement factor) and reduce the mode volume, while the use of GaAs / (AlGa) x O y RBO makes it possible to realize mirrors with high reflectance ability and low internal losses. To increase the density of quantum dots, it is proposed to deposit dots on the InGaAs “germ” layer (they are small InGaAs quantum dots with increased density).

Недостатком известного вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами является использование тонких внутрирезонаторных контактных слоев с повышенным уровнем легирования, что не позволяет сформировать надежные омические контакты при сохранении низких внутренних оптических потерь. Кроме того, применение двух токовых апертур в данной конструкции сопряжено с ростом последовательного электрического сопротивления лазера и негативными эффектами неоднородной инжекции носителей в активную среду по площади апертуры. Более того, конструкция слоев для управления продольной модой вертикального резонатора (один слой с более высоким показателем преломления) не позволяет эффективно управлять распределением энергии электромагнитного поля оптической моды резонатора в легированных слоях и не способствует заметному снижению уровня поглощения на свободных носителях в легированных слоях. К недостаткам конструкции также можно отнести высокое тепловое сопротивление приборов (низкая теплопроводность оксидных слоев) и плохую механическую надежность GaAs/(AlGa)xOy РБО (сильные напряжения в оксидных слоях). Использование тонких слоев InGaAs (аналогично случаю использования мелких InAs квантовых точек или InAlAs квантовых точек) в качестве центров нуклеакции при последующем осаждении основного слоя InAs квантовых точек сопряжено с ростом неоднородного уширения плотности состояний массива квантовых точек, что ведет к падению насыщенного усиления на заданной длине волны.A disadvantage of the known vertical-emitting laser with intracavity contacts is the use of thin intracavity contact layers with a high doping level, which does not allow the formation of reliable ohmic contacts while maintaining low internal optical loss. In addition, the use of two current apertures in this design is associated with an increase in the series electric resistance of the laser and the negative effects of inhomogeneous injection of carriers into the active medium over the area of the aperture. Moreover, the design of the layers for controlling the longitudinal mode of the vertical resonator (one layer with a higher refractive index) does not allow efficiently controlling the distribution of the electromagnetic field energy of the optical mode of the resonator in the doped layers and does not contribute to a noticeable decrease in the absorption level on free carriers in the doped layers. The design flaws also include high thermal resistance of devices (low thermal conductivity of oxide layers) and poor mechanical reliability of GaAs / (AlGa) x O y RBO (strong stresses in oxide layers). The use of thin InGaAs layers (similar to the case of using small InAs quantum dots or InAlAs quantum dots) as nucleation centers during the subsequent deposition of the InAs quantum dots main layer is associated with an increase in the inhomogeneous broadening of the density of states of the quantum dot array, which leads to a decrease in the saturated gain at a given wavelength .

Задачей настоящего решения является создание такого компактного источника лазерного излучения на подложках GaAs, который бы демонстрировал одномодовую лазерную генерацию в вертикальном направлении в спектральном диапазоне 1,3 мкм и обладал низким пороговым током и малым электрическим сопротивлением.The objective of this solution is to create such a compact source of laser radiation on GaAs substrates that would demonstrate single-mode laser generation in the vertical direction in the spectral range of 1.3 μm and have a low threshold current and low electrical resistance.

Поставленная задача достигается тем, что длинноволновый вертикально-излучающий лазер содержит полуизолирующую подложку из GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, композиционную решеткy n-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру, нелегированный оптический резонатор, содержащих активную среду на основе по меньшей мере трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs, композиционную решетку p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, контактный слой p-типа с модовой селекцией и верхний диэлектрический РБО.The problem is achieved in that the long-wavelength vertical-emitting laser contains a semi-insulating GaAs substrate, a lower undoped distributed Bragg reflector (RBO), an n-type intracavity contact layer, an n-type composite lattice containing at least one oxide optical aperture, an undoped optical a resonator containing an active medium based on at least three rows of InAs / InGaAs quantum dots, a p-type composite lattice containing at least one oxide current aperture y, intracavity p-type contact layer, p-type contact layer with mode selection and upper dielectric RBO.

Новым в длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами является применение легированных композиционных решеток, содержащих по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру, которые одновременно обеспечивают эффективное растекание тока по площади апертуры за счет наличия дополнительных гетерограниц (фактически барьеры для вертикального транспорта носителей заряда), позволяют снизить внутренние оптические потери на свободных носителях в легированных слоях (особенно критично для слоев p-типа) путем эффективного перераспределения электромагнитного поля оптической моды резонатора в вертикальном направлении, а также улучшают фактор оптического ограничения за счет перераспределения электромагнитного поля оптической моды резонатора в латеральном направлении. Кроме того, применение композиционных решеток позволяет увеличить толщину внутрирезонаторных контактных слоев и, тем самым, способствовать более эффективному отводу тепла от активной области при сохранении описанных выше преимуществ. Включение оптической и токовой оксидных апертур в композиционные решетки позволяет одновременно повысить фактор оптического ограничения в поперечном направлении и улучшить растекание носителей обоих типов по площади апертуры без существенной деградации последовательного сопротивления лазера. Содержание в активной среде по меньшей мере трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs обусловлено следующим. Малая (типично 1-3⋅1019 см2) поверхностная плотность квантовых точек лимитирует их материальное усиление, что с учетом низкого фактора оптического ограничения (присущее вертикально-излучающим лазерам), делает невозможным получение лазерной генерации в лазере с активной областью на одном ряде квантовых точек. Применение технологии вертикального складирования рядов квантовых точек в пределах пучности электромагнитного поля (в среднем 50-70 нм) оптической моды резонатора позволяет преодолеть данную проблему. Однако необходимо учитывать риск увеличения размеров квантовых точек и локальной релаксации напряжений при формировании квантовых точек в полях упругих напряжений нижележащего ряда квантовых точек, а также нежелательного электронного связывания квантовых точек. Применение не менее трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs в предложенной конструкции с разделительными слоями AlGaAs толщиной 10-20 нм позволяют сохранить псевдоморфный бездефектный рост без модификации зонной структуры квантовых точек. Более того, предложенная структура квантовых точек InAs/InGaAs позволяет подавить термический выброс носителей за счет применения широкозонной матрицы AlGaAs и избежать проблемы корругации поверхности (ухудшение однородности массива квантовых точек) за счет применения тонких вставок GaAs перед осаждением слоя квантовых точек. Расположение контактного слоя p-типа с модовой селекцией вне светоизлучающей площади (т.е. на периферии токовой/оптической апертуры) позволяет не только сформировать надежный омический контакт p-типа с малым контактным сопротивлением и сохранить низкий уровень внутренних оптических потерь, но и эффективно управлять оптическими потерями для поперечных мод высшего порядка (то есть осуществлять селекцию фундаментальной моды) путем вариации размера области локального удаления контактного слоя относительно размера токовой апертуры.The use of doped composite gratings containing at least one oxide optical aperture, which simultaneously provide effective current spreading over the aperture area due to the presence of additional hetero-boundaries (in fact, barriers for the vertical transport of charge carriers), is new in the long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts. to reduce the internal optical loss on free carriers in doped layers (especially critical for p-type layers) by ciency redistribution of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator in the vertical direction, and also improve the optical confinement factor due to redistribution of the electromagnetic field of the optical mode in the lateral direction of the resonator. In addition, the use of composite gratings makes it possible to increase the thickness of the intracavity contact layers and, thereby, contribute to more efficient heat removal from the active region while maintaining the advantages described above. The inclusion of optical and current oxide apertures in composite gratings simultaneously allows one to increase the optical confinement factor in the transverse direction and improve the spreading of carriers of both types over the aperture area without significant degradation of the serial laser resistance. The content in the active medium of at least three rows of InAs / InGaAs quantum dots is due to the following. The low (typically 1-3⋅10 19 cm 2 ) surface density of quantum dots limits their material gain, which, given the low optical limiting factor (inherent in vertically emitting lasers), makes it impossible to obtain laser generation in a laser with an active region on one row of quantum points. The use of vertical storage technology for rows of quantum dots within the antinode of the electromagnetic field (on average 50-70 nm) of the optical mode of the resonator overcomes this problem. However, it is necessary to take into account the risk of an increase in the size of quantum dots and local relaxation of stresses during the formation of quantum dots in the fields of elastic stresses of the underlying series of quantum dots, as well as the undesirable electronic coupling of quantum dots. The use of at least three rows of InAs / InGaAs quantum dots in the proposed design with AlGaAs dividing layers 10–20 nm thick allows one to preserve a pseudomorphic defect-free growth without modifying the band structure of quantum dots. Moreover, the proposed structure of InAs / InGaAs quantum dots allows one to suppress the thermal ejection of carriers due to the use of a wide-gap AlGaAs matrix and to avoid the problem of surface corrugation (deterioration of uniformity of the quantum dot array) due to the use of thin GaAs inserts before the deposition of a quantum dot layer. The location of the p-type contact layer with mode selection outside the light-emitting area (i.e., on the periphery of the current / optical aperture) allows not only to form a reliable p-type ohmic contact with a small contact resistance and to maintain a low level of internal optical loss, but also to effectively control optical losses for higher order transverse modes (i.e., selection of the fundamental mode) by varying the size of the region of local removal of the contact layer relative to the size of the current aperture.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами нижний нелегированный РБО может содержать не менее 33 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95. При этом каждый слой может иметь толщину, равную λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикально-излучающего лазера. Такое выполнение позволяет снизить внутренние оптические потери в длинноволновом вертикально-излучающем лазере, поскольку в нелегированном РБО отсутствует поглощение света на свободных носителях и рассеяние света на сильнолегированных гетерограницах n-типа.In a long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts, the lower undoped DBR can contain at least 33 pairs of alternating semiconductor layers with different refractive indices. As semiconductor layers with different refractive indices, layers of GaAs and Al x Ga 1-x As can be used, where 0.85 x x 0 0.95. Moreover, each layer can have a thickness equal to λ / 4n, where n is the refractive index of the corresponding layer, λ is the resonant wavelength of a vertically emitting laser. This embodiment allows one to reduce the internal optical loss in a long-wavelength vertically emitting laser, since in undoped DBR there is no light absorption on free carriers and light scattering on heavily doped n-type heterointerfaces.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть выполнен из GaAs толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть в среднем легирован донорами в диапазоне (3⋅1017-1⋅1018) см-3 и иметь модулированный профиль легирования, когда уровень легирования на протяжении 10-30 нм увеличивается до (2⋅1018-4⋅1018) см-3 с периодом, равным λ/2n. Такое выполнение является технологичным и позволяет сформировать надежный омический контакт к полупроводниковым слоям n-типа для инжекции электронов в активную среду без существенного увеличения внутренних оптических потерь, а также способствует более эффективному отводу тепла от активной области.In a long-wave vertical emitting laser, the n-type intracavity contact layer can be made of GaAs with a thickness multiple of (2k-1) λ / 4n, where 3≤k≤6 is a natural number. The n-type intracavity contact layer can, on average, be doped with donors in the range (3⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 and have a modulated doping profile when the doping level increases over the range of 10-30 nm to (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 with a period equal to λ / 2n. This embodiment is technologically advanced and allows one to form a reliable ohmic contact to n-type semiconductor layers for injection of electrons into the active medium without a significant increase in internal optical losses, and also contributes to more efficient heat removal from the active region.

На внутрирезонаторном контактном слое n-типа может быть сформирован электрический контакт n-типа.An n-type electrical contact may be formed on the n-type intracavity contact layer.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами композиционная решетка n-типа может содержать 1-3 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления и градиентными гетероинтерфейсами. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону. При этом каждая пара слоев может иметь общую толщину, равную λ/2n*, где n* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки. Композиционная решетка n-типа может быть в среднем легирована донорами на уровень (7⋅1017-1⋅1018) см-3, но на гетерограницах с возрастанием состава (отсчет вверх от подложки), которые расположены в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора, уровень легирования может быть увеличен до (2⋅1018-4⋅1018) см-3.In a long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts, an n-type composite lattice may contain 1-3 pairs of alternating semiconductor layers with different refractive indices and gradient heterointerfaces. As semiconductor layers with different refractive indices, layers from GaAs and from Al x Ga 1-x As can be used, where 0.85≤x≤0.95, with a gradient composition change at the heteroboundaries according to a linear or bi-parabolic law. Moreover, each pair of layers can have a total thickness equal to λ / 2n * , where n * is the average value of the refractive index for the layers of the composite lattice. The n-type composite lattice can, on average, be doped with donors at a level of (7⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 , but at heteroboundaries with increasing composition (counting up from the substrate), which are located at the minima of the electromagnetic field of the optical mode of the cavity , the doping level can be increased to (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 .

По меньшей мере один слой из AlxGa1-xAs n-типа может быть использован для создания оксидной оптической апертуры, в котором центральная часть, имеющая диаметр Do оксидной оптической апертуры, состоит из AlxGa1-xAs, где 0,97≤x≤1,0, а периферийная часть состоит из Al2O3.At least one layer of n-type Al x Ga 1-x As can be used to create an oxide optical aperture, in which the central part having an oxide optical aperture diameter D o consists of Al x Ga 1-x As, where 0 , 97≤x≤1,0, and the peripheral part consists of Al 2 O 3 .

Такое выполнение позволяет одновременно уменьшить высоту потенциальных барьеров для инжектируемых электронов (что крайне важно для снижения рабочего напряжения) и обеспечить латеральное растекание электронов в слоях n-типа (что способствует более однородной инжекции носителей в активную среду) при сохранении низкого сопротивления лазера и уровня внутренних оптических потерь. Кроме того, наличие оксидной оптической апертуры способствует повышению фактора оптического ограничения и уменьшению объема моды, а также селекции поперечных мод. Более того, такое выполнение позволяет значительно увеличить толщину внутрирезонаторного контактного слоя n-типа без существенного увеличения поглощения на свободных носителях за счет эффективного уменьшения доли электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторном контактном слое n-типа.This embodiment allows one to simultaneously reduce the height of potential barriers for injected electrons (which is extremely important to reduce the operating voltage) and to ensure lateral spreading of electrons in n-type layers (which contributes to a more uniform injection of carriers into the active medium) while maintaining a low laser resistance and the level of internal optical losses. In addition, the presence of an oxide optical aperture contributes to an increase in the optical confinement factor and a decrease in the mode volume, as well as the selection of transverse modes. Moreover, this embodiment allows to significantly increase the thickness of the n-type intracavity contact layer without a significant increase in free carrier absorption due to the effective decrease in the fraction of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator in the n-type intracavity contact layer.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами нелегированный оптический резонатор может быть выполнен толщиной, кратной kλ/n**, где n** - усредненное значение показателя преломления для слоев оптического резонатора, 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из AlyGa1-yAs, где 0,15≤y≤0,4, причем на каждый участок толщиной λ/2n** (совпадает с максимумами, то есть пучности, электромагнитного поля оптической моды резонатора) помещена активная среда. Активная среда может содержать по меньшей мере три последовательно расположенных слоя квантовых точек InAs/InGaAs, отделенных друг от друга слоями из AlxGa1-xAs, где x не более 0,25, толщиной 10-20 нм.In a long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts, the undoped optical resonator can be made in a multiple of kλ / n ** , where n ** is the average value of the refractive index for the layers of the optical resonator, 3≤k≤6 is a natural number, and consist of Al y Ga 1-y As, where 0.15≤y≤0.4, with an active medium placed on each section of thickness λ / 2n ** (coincides with the maxima, that is, the antinodes of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator). The active medium may contain at least three consecutively arranged layers of InAs / InGaAs quantum dots separated from each other by Al x Ga 1-x As layers, where x is not more than 0.25, 10-20 nm thick.

Каждый слой квантовых точек InAs/InGaAs может содержать слой из GaAs толщиной 5-10 нм, слой из InAs с эффективной толщиной 0,6-1,0 нм, слой из InxGa1-xAs, где 0,1≤x≤0,35, толщиной 3-10 нм, и прикрывающий слой из GaAs толщиной 5-10 нм. Такое выполнение позволяет сместить максимум спектра усиления активной области на подложках GaAs в спектральный диапазон 1,3 мкм, повысить фактор оптического ограничения, подавить тепловой выброс носителей из квантовых точек и избежать проблем, связанных с формированием квантовых точек на поверхности твердого раствора AlxGa1-xAs (ухудшение однородности массива квантовых точек из-за корругации поверхности, падения излучательной рекомбинации из-за роста дефектов в AlxGa1-xAs при синтезе на пониженных температурах).Each layer of InAs / InGaAs quantum dots can contain a GaAs layer 5–10 nm thick, an InAs layer with an effective thickness of 0.6–1.0 nm, an In x Ga 1-x As layer, where 0.1≤x≤ 0.35, a thickness of 3-10 nm, and a covering layer of GaAs with a thickness of 5-10 nm. This embodiment allows shifting the maximum of the gain spectrum of the active region on GaAs substrates to the spectral range of 1.3 μm, increasing the optical limiting factor, suppressing the thermal emission of carriers from quantum dots, and avoiding the problems associated with the formation of quantum dots on the surface of Al x Ga 1- solid solution x As (deterioration in the homogeneity of the quantum dot array due to surface corrugation, a drop in radiative recombination due to the growth of defects in Al x Ga 1-x As during synthesis at low temperatures).

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами композиционная решетка p-типа может содержать 1-6 пар чередующихся полупроводниковых слоев с разными показателями преломления и градиентными гетероинтерфейсами. В качестве полупроводниковых слоев с разными показателями преломления могут быть использованы слои из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону. Композиционная решетка p-типа может быть в среднем легирована акцепторами на уровень (7⋅1017-1⋅1018) см-3, но на гетерограницах с понижением состава (отсчет вверх от подложки), которые расположены в минимумах электромагнитного поля оптической моды резонатора, уровень легирования может быть увеличен до (2⋅1018-4⋅1018) см-3. При этом каждая пара слоев может быть выполнена общей толщиной, равной λ/2n* где n* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки.In a long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts, a p-type composite lattice can contain 1-6 pairs of alternating semiconductor layers with different refractive indices and gradient heterointerfaces. As semiconductor layers with different refractive indices, layers from GaAs and from Al x Ga 1-x As can be used, where 0.85≤x≤0.95, with a gradient composition change at the heteroboundaries according to a linear or bi-parabolic law. The p-type composite lattice can, on average, be doped with acceptors at the level of (7⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 , but at heteroboundaries with a decrease in composition (counting up from the substrate), which are located at the minima of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator , the doping level can be increased to (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 . Moreover, each pair of layers can be made with a total thickness equal to λ / 2n * where n * is the average value of the refractive index for the layers of the composite lattice.

По меньшей мере один из слоев AlxGa1-xAs p-типа может быть использован для создания оксидной токовой апертуры, где центральная часть, имеющая диаметр Dc оксидной токовой апертуры, причем

Figure 00000001
состоит твердого раствора AlxGa1-xAs, где 0,97≤x≤1,0, а периферийная часть состоит из Al2O3. Такое выполнение позволяет одновременно уменьшить высоту потенциальных барьеров для инжектируемых дырок (что крайне важно для снижения рабочего напряжения) и обеспечить латеральное растекание дырок в слоях p-типа (что способствует более однородной инжекции носителей в активную среду) при сохранении низкого сопротивления лазера. Большее количество пар, по сравнению с композиционной решеткой n-типа, позволяет эффективно уменьшить долю энергии электромагнитного поля оптической моды во внутрирезонаторном контактном слое p-типа и тем самым снизить уровень внутренних оптических потерь в слоях p-типа. Кроме того, применение оксидной токовой апертуры позволяет обеспечить одновременно эффективное токовое и оптическое ограничение, и, как следствие, понизить величину порогового тока при малых латеральных размерах токовой апертуры. Более того, такое выполнение позволяет значительно увеличить толщину внутрирезонаторного контактного слоя p-типа без существенного увеличения поглощения на свободных носителях за счет эффективного уменьшения доли электромагнитного поля оптической моды резонатора во внутрирезонаторном контактном слое n-типа.At least one of the p-type Al x Ga 1-x As layers can be used to create an oxide current aperture, where a central part having an oxide current aperture diameter D c , wherein
Figure 00000001
consists of a solid solution Al x Ga 1-x As, where 0.97≤x≤1.0, and the peripheral part consists of Al 2 O 3 . This embodiment allows one to simultaneously reduce the height of potential barriers for injected holes (which is extremely important for reducing the operating voltage) and to ensure lateral spreading of holes in p-type layers (which contributes to a more uniform injection of carriers into the active medium) while maintaining a low laser resistance. A larger number of pairs, compared with the n-type composite lattice, can effectively reduce the fraction of the electromagnetic field electromagnetic energy in the p-type intracavity contact layer and thereby reduce the level of internal optical loss in the p-type layers. In addition, the use of an oxide current aperture allows both effective current and optical limitation to be ensured, and, as a result, a decrease in the threshold current with small lateral dimensions of the current aperture. Moreover, this embodiment makes it possible to significantly increase the thickness of the p-type intracavity contact layer without significantly increasing the absorption on free carriers due to the effective decrease in the fraction of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator in the n-type intracavity contact layer.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере внутрирезонаторный контактный слой p-типа может быть выполнен из GaAs толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа может быть в среднем легирован акцепторами в диапазоне (3⋅1017-1⋅1018) см-3 и иметь модулированный профиль легирования акцепторами, когда уровень легирования на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода увеличивается до (2⋅1018-8⋅1018) см-3 с периодом, равным λ/2n. Такое выполнение является технологичным и позволяет снизить сопротивление контакта p-типа без существенного увеличения внутренних оптических потерь, а также способствует более эффективному отводу тепла от активной области.In a long-wave vertical emitting laser, the p-type intracavity contact layer can be made of GaAs with a thickness multiple of (2k-1) λ / 4n, where 3≤k≤6 is a natural number. The n-type intracavity contact layer can, on average, be doped with acceptors in the range (3⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 and have a modulated acceptor doping profile, when the doping level for 10-30 nm in the middle of each period increases to (2⋅10 18 -8⋅10 18 ) cm -3 with a period equal to λ / 2n. This embodiment is technologically advanced and allows to reduce the resistance of the p-type contact without a significant increase in internal optical losses, and also contributes to a more efficient heat removal from the active region.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами контактный слой p-типа с селекцией мод может располагаться над периферийной частью оксидной токовой апертуры (т.е. внутренний диаметр контактного слоя p-типа больше диаметра оксидной токовой апертуры). Контактный слой p-типа может частично располагаться и над центральной частью оксидной токовой апертуры (т.е. внутренний диаметр контактного слоя p-типа меньше диаметра оксидной токовой апертуры). Контактный слой p-типа может содержать нижний субслой из твердого раствора AlxGa1-xAs p-типа толщиной 3-5 нм и уровнем легирования акцепторами (1⋅1018-3⋅1018) см-3, где 0,85≤x≤0,95, и верхний субслой из бинарного соединения GaAs p-типа толщиной λ/4n и уровнем легирования акцепторами (1⋅1019-3⋅1019) см-3. Верхний субслой располагается над периферийной частью оксидной токовой апертуры, тогда как нижний субслой используется в качестве стоп-слоя при селективном травлении верхнего субслоя. Такое выполнение является технологичным и позволяет не только сформировать эффективный омический контакт к полупроводниковым слоя p-типа для инжекции дырок в активную среду без дополнительных оптических потерь в сильнолегированный областях p-типа, но и увеличить оптические потери для поперечных мод высшего порядка за счет сбоя фазы и роста поглощения на свободных носителях, появляющиеся в части контактного слоя, располагающегося в переделах центральной части оксидной токовой апертуры.In a long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts, the p-type contact layer with mode selection can be located above the peripheral part of the oxide current aperture (i.e., the inner diameter of the p-type contact layer is larger than the diameter of the oxide current aperture). The p-type contact layer can also be partially located above the central part of the oxide current aperture (i.e., the inner diameter of the p-type contact layer is smaller than the diameter of the oxide current aperture). The p-type contact layer may contain a lower sublayer of p-type Al x Ga 1-x As solid solution with a thickness of 3-5 nm and a doping level of acceptors (1⋅10 18 -3⋅10 18 ) cm -3 , where 0.85 ≤x≤0.95, and the upper sublayer of a p-type GaAs binary compound with a thickness of λ / 4n and a doping level of acceptors (1 (10 19 -3 -10 19 ) cm -3 . The upper sublayer is located above the peripheral part of the oxide current aperture, while the lower sublayer is used as a stop layer for selective etching of the upper sublayer. This embodiment is technologically advanced and allows not only forming an effective ohmic contact to the p-type semiconductor layer for injection of holes into the active medium without additional optical losses in heavily doped p-type regions, but also increasing optical losses for higher order transverse modes due to phase failure and growth of absorption on free carriers, appearing in the part of the contact layer located in the redistribution of the central part of the oxide current aperture.

На контактном слое р-типа может быть сформирован электрический контакт р-типа.An p-type electrical contact may be formed on the p-type contact layer.

В длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами верхний диэлектрический РБО может быть расположен на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры. Верхний диэлектрический РБО может содержать не менее 7 пар чередующихся четвертьволновых диэлектрических слоев SiO2 и TiO2, SiO2 и Ta2O5, или слои SiO2 и Si3N4, или не менее 3 пар чередующихся диэлектрических слоев SiO2 и α-Si, или на основе других диэлектриков с высоким контрастом показателей преломления и низким уровнем поглощения в требуемом спектральном диапазоне. При этом каждый слой может иметь толщину λ/4n в центре РБО (т.е. в центральной части оксидной токовой апертуры), но при смещении к периферии оксидной токовой апертуры толщины слоев уменьшаются.In a long-wavelength vertical-emitting laser with intracavity contacts, the upper dielectric RBO can be located on the surface of the p-type intracavity contact layer directly above the central part of the oxide current aperture. The upper dielectric DBR may contain at least 7 pairs of alternating quarter-wave dielectric layers of SiO 2 and TiO 2 , SiO 2 and Ta 2 O 5 , or layers of SiO 2 and Si 3 N 4 , or at least 3 pairs of alternating dielectric layers of SiO 2 and α- Si, or based on other dielectrics with high contrast refractive indices and low absorption in the desired spectral range. Moreover, each layer can have a thickness of λ / 4n in the center of the DBR (i.e., in the central part of the oxide current aperture), but with a shift to the periphery of the oxide current aperture, the layer thicknesses decrease.

Такое выполнение позволяет снизить внутренние оптические потери в длинноволновом вертикально-излучающем лазере, поскольку оптические потери в данных диэлектриках малы, а поглощение света на свободных носителях отсутствует. Более того, возможна реализация неплоского РБО, которое вносит дополнительные оптические потери для поперечных мод высшего порядка за счет падения отражательной способности зеркала на заданной длине волны.This embodiment allows to reduce the internal optical loss in a long-wavelength vertically emitting laser, since the optical loss in these dielectrics is small, and there is no light absorption on free carriers. Moreover, it is possible to implement non-planar DBR, which introduces additional optical losses for higher order transverse modes due to a drop in the reflectance of the mirror at a given wavelength.

Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:This technical solution is illustrated in the drawing, where:

на фиг. 1 приведено схематичное изображение поперечного сечения настоящего длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами;in FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a real long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts;

на фиг. 2 схематично показано поперечное сечение слоя квантовых точек InAs/InGaAs, используемых в настоящем длинноволновом вертикально-излучающем лазере с внутрирезонаторными контактами.in FIG. 2 schematically shows a cross-section of a layer of InAs / InGaAs quantum dots used in a real long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts.

Настоящий длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами (см. фиг 1) содержит полуизолирующую подложку 1 из GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО) 2, внутрирезонаторный контактный слой 3 n-типа, электрический контакт 4 n-типа, композиционную решетку 5 n-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру 6, нелегированный оптический резонатор 7, активную среду 8 на основе квантовых точек InAs/InGaAs, композиционную решетку 9 p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру 10, внутрирезонаторный контактный слой 11 p-типа, контактный слой 12 р-типа с модовой селекцией, электрический контакт 13 р-типа и верхний диэлектрический РБО 14.The present long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts (see FIG. 1) contains a semi-insulating GaAs substrate 1, a lower undoped distributed Bragg reflector (RBO) 2, an n-type intracavity contact layer 3, an n-type electrical contact 4, a compositional grating 5 n-type containing at least one oxide optical aperture 6, undoped optical cavity 7, active medium 8 based on InAs / InGaAs quantum dots, p-type composite lattice 9 containing at least one oxide t kovuyu aperture 10, intracavity contact layer 11, p-type contact layer 12 of p-type with the mode selection, the electrical contact 13 and p-type upper dielectric DBR 14.

Нижний нелегированный РБО 2 может содержать по меньшей мере 33 пары чередующихся слоев 14, 15 соответственно из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, каждый слой 14, 15 имеет толщину λ/4n, где n-показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикального оптического резонатора. Внутрирезонаторный контактный слой 3 n-типа может быть выполнен толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из слоя из GaAs n-типа с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя с периодом, равным λ/2n, увеличением уровня легирования до (2⋅1018-4⋅1018) см-3 на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода при среднем уровне легирования в диапазоне (3⋅1017-1⋅1018) см-3. Для инжекции электронов в активную среду на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя 3 n-типа формируют электрический контакт 4 n-типа.The lower unalloyed DBR 2 may contain at least 33 pairs of alternating layers 14, 15 of GaAs and Al x Ga 1-x As, respectively, where 0.85≤x≤0.95, each layer 14, 15 has a thickness of λ / 4n where n is the refractive index of the corresponding layer, λ is the resonant wavelength of the vertical optical resonator. The n-type intracavity contact layer 3 can be made in a multiple of (2k-1) λ / 4n, where 3≤k≤6 is a natural number, and consist of an n-type GaAs layer with a periodic donor doping profile over the layer thickness with a period equal to λ / 2n, an increase in the doping level to (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 over 10-30 nm in the middle of each period with an average doping level in the range (3⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 . For the injection of electrons into the active medium, an n-type electrical contact 4 is formed on the surface of the n-type intracavity contact layer 3.

Композиционная решетка 5 n-типа может содержать 1-3 пар чередующихся слоев 17, 18 соответственно из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя с периодом легирования, равным λ/2n*, при среднем уровне легирования (7⋅1017-1⋅1018) см-3 и максимальном уровне легирования на гетерогранице с возрастанием состава (отсчет вверх от подложки) в диапазоне (2⋅1018-4⋅1018) см-3. При этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n* , где n* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки.The n-type composite lattice 5 may contain 1-3 pairs of alternating layers 17, 18 of GaAs and Al x Ga 1-x As, respectively, where 0.85≤x≤0.95, with a gradient change in the composition at the heteroboundaries linearly or bi-parabolic law, with a periodic doping profile by donors along the layer thickness with a doping period of λ / 2n * , with an average doping level (7⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 and a maximum doping level at the heterointerface with increasing composition (counting up from the substrate) in the range (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 . Moreover, each pair of layers is made with a total thickness equal to λ / 2n * , where n * is the average value of the refractive index for the layers of the composite lattice.

В композиционной решетке 5 n-типа по меньшей мере один слой из AlxGa1-xAs n-типа может являться оксидной оптической апертурой 6 и в латеральном направлении состоять из центральной части 19, выполненной из AlxGa1-xAs, где 0,97≤x≤1,0, и периферийной части 20, выполненной из A2O3. Нелегированный оптический резонатор 7 может быть выполнен толщиной, кратной kλ/n*, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из слоя 21 из AlyGa1-yAs, где y не более 0,4, причем в центр каждых λ/2n* помещена активная среда 8 на основе квантовых точек InAs/InGaAs.In the n-type composite lattice 5, at least one n-type Al x Ga 1-x As layer may be an oxide optical aperture 6 and in the lateral direction may consist of a central portion 19 made of Al x Ga 1-x As, where 0.97 x x ,0 1.0, and a peripheral part 20 made of A 2 O 3 . The undoped optical resonator 7 can be made in a multiple of kλ / n * , where 3≤k≤6 is a natural number, and consist of a layer 21 of Al y Ga 1-y As, where y is not more than 0.4, with the center For each λ / 2n *, an active medium 8 based on InAs / InGaAs quantum dots is placed.

Активная среда 8 может включать в себя по меньшей мере три последовательно расположенных слоя 22 квантовых точек InAs/InGaAs, отделенных друг от друга слоями 23 из AlxGa1-xAs, где х не более 0,25, толщиной 10-20 нм. Каждый слой 22 квантовых точек InAs/InGaAs может содержать слой 24 из GaAs толщиной 5-10 нм, слой 25 из InAs с эффективной толщиной 0,6-1,0 нм, слой 26 из InxGa1-xAs, где 0,1≤x≤0,35, толщиной 3-10 нм, и прикрывающий слой 27 из GaAs толщиной 5-10 нм.The active medium 8 may include at least three sequentially arranged layers of InAs / InGaAs quantum dots 22, separated from each other by Al x Ga 1-x As layers 23, where x is not more than 0.25, 10-20 nm thick. Each InAs / InGaAs quantum dot layer 22 may comprise a GaAs layer 24 of 5-10 nm thickness, InAs layer 25 with an effective thickness of 0.6-1.0 nm, In x Ga 1-x As layer 26, where 0, 1≤x≤0.35, thickness 3-10 nm, and a covering layer 27 of GaAs with a thickness of 5-10 nm.

Композиционная решетка 9 p-типа может быть выполнена из 1-6 пар чередующихся слоев 28, 29 соответственно из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤1,0 с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя с периодом легирования, равным λ/2n*, при среднем уровне легирования (7⋅1017-1⋅1018) см-3 и максимальном уровне легирования на гетерогранице с понижением состава (отсчет вверх от подложки) в диапазоне (2⋅1018-4⋅1018) см-3, при этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n* , где n* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки. В композиционной решетке p-типа по меньшей мере один слой из AlxGa1-xAs p-типа может являться оксидной токовой апертурой 10 и в латеральном направлении состоять из центральной части 30, выполненной из AlxGa1-xAs, где 0,97≤x≤1,0 и периферийной части 31, выполненной из A2O3. Диаметр Dc оксидной токовой апертуры (то есть центральной части 30) может быть меньше диаметра Do оксидной оптической апертуры (то есть центральной части 19).The p-type composite lattice 9 can be made of 1-6 pairs of alternating layers 28, 29 of GaAs and Al x Ga 1-x As, respectively, where 0.85≤x≤1.0 with a linear gradient composition change at the heterointerfaces or a bi-parabolic law, with a periodic doping profile by acceptors over the layer thickness with a doping period equal to λ / 2n * , with an average doping level (7⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 and a maximum doping level at the heterointerface with decreasing composition (counting up from the substrate) in the range (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 , with each pair of layers made and the total thickness equal to λ / 2n * , where n * is the average value of the refractive index for the layers of the composite lattice. In the p-type composite lattice, at least one p-type Al x Ga 1-x As layer can be an oxide current aperture 10 and in the lateral direction consist of a central part 30 made of Al x Ga 1-x As, where 0 , 97 x x 1 1.0 and the peripheral part 31 made of A 2 O 3 . The diameter D c of the oxide current aperture (i.e., the central portion 30) may be less than the diameter D o of the oxide optical aperture (i.e., the central portion 19).

Внутрирезонаторный контактный слой 11 p-типа может быть выполнен толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоять из GaAs p-типа с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя, с периодом, равным λ/2n, увеличением уровня легирования до (2⋅1018-8⋅1018) см-3 на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода при среднем уровне легирования в диапазоне (3⋅1017-1⋅1018) см-3.The intracavity p-type contact layer 11 can be made in a multiple of (2k-1) λ / 4n, where 3≤k≤6 is a natural number, and consist of p-type GaAs with a periodic doping profile by acceptors along the layer thickness, with a period equal to λ / 2n, increasing the doping level to (2⋅10 18 -8⋅10 18 ) cm -3 for 10-30 nm in the middle of each period with an average doping level in the range (3 (10 17 -1 1710 18 ) cm -3 .

Контактный слой 12 p-типа с селекцией мод может быть расположен над периферийной частью оксидной токовой апертуры 31, то есть за пределами излучающей области, и содержать нижний субслой 32 AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, p-типа с уровнем легирования акцепторами (1⋅1018-3⋅1018) см-3 толщиной 3-5 нм, и верхний субслой 33 из GaAs p-типа с уровнем легирования акцепторами (2⋅1019-3⋅1020) см-3 и толщиной λ/4n. Для инжекции дырок в активную среду на поверхности контактного слоя 12 p-типа с селекцией мод формируют электрический контакт 13 p-типа. Контактный слой 12 p-типа с селекцией мод может частично располагается над центральной частью оксидной токовой апертуры 30, так что внутренний диаметр контактного слоя 12 может быть меньше диаметра Dc оксидной токовой апертуры 10 (т.е. центральной части 30) на 3-6 мкм.The p-type contact layer 12 with mode selection can be located above the peripheral part of the oxide current aperture 31, that is, outside the emitting region, and contain a lower sublayer 32 Al x Ga 1-x As, where 0.85≤x≤0.95 , p-type with a doping level of acceptors (1⋅10 18 -3⋅10 18 ) cm -3 with a thickness of 3-5 nm, and the upper sublayer 33 of p-type GaAs with a doping level of acceptors (2⋅10 19 -3⋅10 20 ) cm -3 and thickness λ / 4n. To inject holes into the active medium, p-type electrical contact 13 is formed on the surface of the p-type contact layer 12 with mode selection. The p-type contact layer 12 with mode selection can partially be located above the central part of the oxide current aperture 30, so that the inner diameter of the contact layer 12 can be 3-6 less than the diameter D c of the oxide current aperture 10 (i.e., the central part 30) microns.

Верхний диэлектрический РБО 14 может примыкать к внутрирезонаторному контакту 11 p-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры 30 и содержать, например, не менее 7 пар чередующихся диэлектрических слоев 34, 35 соответственно из SiO2 и TiO2, где каждый слой имеет в центре толщину λ/4n. Альтернативным вариантом является использование пары слоев SiO2 и Ta2O5, или SiO2 и Si3N4. Возможен вариант верхнего диэлектрического РБО 14 на основе не менее 3 пар чередующихся диэлектрических слоев из SiO2 и α-Si. Толщины чередующихся диэлектрических слоев 34 и 35 могут уменьшаться от центра к периферии.The upper dielectric RBO 14 can adjoin the p-type intracavity contact 11 directly above the central part of the oxide current aperture 30 and contain, for example, at least 7 pairs of alternating dielectric layers 34, 35 of SiO 2 and TiO 2 , respectively, where each layer has a center thickness λ / 4n. An alternative is to use a pair of layers of SiO 2 and Ta 2 O 5 , or SiO 2 and Si 3 N 4 . A variant of the upper dielectric RBO 14 based on at least 3 pairs of alternating dielectric layers of SiO 2 and α-Si is possible. The thicknesses of alternating dielectric layers 34 and 35 may decrease from the center to the periphery.

Длина волны лазерной генерации в основном определяется спектральным положением резонансной длины волны вертикального оптического резонатора 7, поэтому толщины и состав слоев лазера (за исключением активной среды 8 выбирают так, чтобы обеспечить попадание резонансной длины волны в спектральный диапазон 1,3 мкм. Толщины и состав активной среды 8 выбирают так, чтобы сохранялся псевдоморфный бездефектный рост квантовых точек, а пик фотолюминесценции основного состояния квантовых точек был смещен в коротковолновую сторону относительно резонансной длины волны вертикально-излучающего лазера на 5-25 нм (для обеспечения температурной стабильности лазерных характеристик).The wavelength of laser generation is mainly determined by the spectral position of the resonant wavelength of the vertical optical resonator 7, therefore, the thickness and composition of the laser layers (except for the active medium 8 are chosen so as to ensure that the resonant wavelength falls within the spectral range of 1.3 μm. Media 8 is chosen so that the pseudomorphic defect-free growth of quantum dots is maintained, and the photoluminescence peak of the ground state of the quantum dots is shifted toward the short-wavelength relative to the sharp nansnogo wavelength of a vertically emitting laser at 5-25 nm (to ensure thermal stability of the laser characteristics).

Важным фактором, обуславливающим преимущество вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами, является использованная схема инжекции носителей заряда в активную среду 8. С одной стороны, использование легированных композиционных решеток 5, 9 позволяет уменьшить долю электромагнитного поля оптической моды во внутрирезонаторных контактных слоях 3 и 11 и, как следствие, снизить уровень внутренних оптических потерь (особенно в слоях p-типа) при сохранении эффективного отвода тепла от активной среды 8. С другой стороны, композиционные решетки 5, 9 создают потенциальные барьеры для вертикального транспорта носителей заряда, что в совокупности с одновременным использованием токовой и оптической оксидных апертур 6 и 10 способствует более эффективному растеканию тока по площади области инжекции носителей. Более того, специальная конструкция контактного слоя 12 p-типа позволяет реализовать надежный омический контакт к слоям p-типа без внесения дополнительных оптических потерь.An important factor determining the advantage of a vertically emitting laser with intracavity contacts is the used scheme of injection of charge carriers into the active medium 8. On the one hand, the use of doped composite gratings 5, 9 makes it possible to reduce the fraction of the electromagnetic field of the optical mode in intracavity contact layers 3 and 11 and as a result, reduce the level of internal optical losses (especially in p-type layers) while maintaining effective heat removal from the active medium 8. On the other hand, itsionnye grating 5, 9 provide potential barriers for the vertical transport of the charge carriers, which in combination with the simultaneous use of current and optical apertures oxide 6 and 10 contributes to more efficient current spreading area carrier injection region. Moreover, the special design of the p-type contact layer 12 allows for reliable ohmic contact to the p-type layers without introducing additional optical losses.

Другой важной особенностью является возможность эффективной селекции фундаментальной моды. Во-первых, одновременное использование оптической и токовой оксидных апертур 6 и 10 обеспечивает преимущественные условия для лазерной генерации на фундаментальной моде благодаря формированию эффективного двухступенчатого латерального волновода. Во-вторых, введение сильнолегированного контактного слоя 12 p-типа в максимум электромагнитного поля моды по периферии светоизлучающей области ведет к сбою фазы при прохождении света через него и увеличению оптических потерь для поперечных мод высшего порядка. В-третьих, уменьшение толщины четвертьволновых слоев в диэлектрическом РБО 14 от центра к периферии ведет у снижению отражательной способности диэлектрического РБО 14 и росту потерь на вывод для поперечных мод высшего порядка.Another important feature is the ability to effectively select a fundamental mode. First, the simultaneous use of optical and current oxide apertures 6 and 10 provides favorable conditions for laser generation on a fundamental mode due to the formation of an effective two-stage lateral waveguide. Secondly, the introduction of a heavily doped p-type contact layer 12 at the maximum of the mode’s electromagnetic field along the periphery of the light-emitting region leads to a phase failure during the passage of light through it and an increase in optical losses for higher order transverse modes. Thirdly, a decrease in the thickness of the quarter-wave layers in the dielectric DBR 14 from the center to the periphery leads to a decrease in the reflectivity of the dielectric DBR 14 and an increase in output losses for higher order transverse modes.

Важной особенностью настоящей конструкции является использование в качестве активной среды 8 квантовых точек InAs, зарощенных слоем InGaAs, что позволяет использовать преимущества системы материалов InAlGaAs на подложках GaAs (контраст показателей преломления, теплопроводность слоев, токовое ограничение) в рамках единой приборной конструкции вертикально-излучающего лазера без усложнения технологического процесса изготовления лазеров, а также избежать проблем, характерных для случая применения сильнонапряженных квантовых ямах InGaAsN(Sb) в качестве активной области.An important feature of this design is the use of 8 InAs quantum dots coated with an InGaAs layer as an active medium, which makes it possible to take advantage of the InAlGaAs material system on GaAs substrates (contrast of refractive indices, thermal conductivity of layers, current limitation) within the framework of a single instrument design of a vertically emitting laser without complications of the technological process of laser fabrication, as well as avoiding the problems characteristic of the case of the use of high-voltage InGaAsN (Sb) quantum wells as ie the active region.

Настоящий длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами работает следующим образом. При приложении к лазеру прямого смещения (т.е. отрицательное напряжение подают на электрический контакт 4 к внутрирезонаторному контактному слою 3 n-типа, а положительное напряжение подают на электрический контакт 13 к контактному слою 11 p-типа) происходит инжекция электронов и дырок в оптический резонатор 7. В активной среде 8 одновременно появляются электроны и дырки, которые затем захватываются в квантовые точки слоя 22. Слои 23, окружающие слои 22 квантовых точек, служат для уменьшения влияния нижележащего слоя 22 точек на рост следующего слоя 22 квантовых точек и предотвращают эффект вертикального связывания точек в колонны, а также подавляют тепловой выброс носителей из квантовых точек. В зависимости от толщины и состава слоев 24-27, входящих в состав слоя 22 квантовых точек, и разделяющих слоев 23, эффективная излучательная рекомбинация через основное состояние квантовой точек без образования дефектов может наблюдаться в спектральном диапазоне 1,3 мкм. С повышением тока накачки растет концентрация носителей заряда в слоях 22 квантовых точек, а часть фотонов, рожденных в результате рекомбинации электрона и дырки через основное состояние квантовых точек в режиме спонтанного излучения, начинает стимулировать рождение новых фотонов со свойствами налетевшего фотона (так называемое вынужденное излучение) и запускает процесс лавинного умножения фотонов (появляется оптическое усиление). В какой-то момент в активной среде 8 появляется избыточная по отношении к равновесной концентрация носителей заряда, т.е. возникает инверсия заселенности, и вынужденное излучение начинает преобладать над поглощением активной среды 8. Нижний нелегированный РБО 2, нелегированный оптический резонатор 7 и верхний диэлектрический РБО 14 формируют эффективный вертикальный оптический микрорезонатор, который задает выделенное направление распространения света и обеспечивает положительную обратную связь для поддержания лазерной генерации. Как только оптическое усиление с ростом тока накачки достигнет уровня суммарных оптических потерь в эффективный вертикальный оптический микрорезонатор (внутренние оптические потери и потери на вывод излучения) возникнет лазерная генерация в спектральном диапазоне 1,3 мкм. Следует отметить, что, в силу низкого материального усиления квантовых точек, необходимо увеличить количество рядов квантовых точек в активной среде 8 и минимизировать поглощение на свободных носителях в легированных слоях. Оксидная токовая апертура 10 ограничивает область инжекции дырок, а оксидная оптическая апертура 6 способствует эффективной концентрации электронов относительно области инжекции дырок. Композиционные решетки 5 и 9 создают барьеры для вертикального транспорта носителей, что способствует латеральному растеканию носителей по легированным слоям и более однородной инжекции носителей в активную среду 8 в пределах центральной части оксидной токовой апертуры 28. Лазерное излучение выводится через верхний диэлектрический РБО 14. В силу малых размеров эффективного вертикального оптического микрорезонатора в вертикально-излучающих лазерах обычно существует только одна продольная мода, однако спектр поперечных мод зависит от уровня оптического ограничения в латеральном направлении. Благодаря сильному скачку показателя преломления периферийной части 18 (29) относительно центральной части 17 (28), оксидные апертуры 5 и 9 формируют эффективный двухступенчатый латеральный волновод, что позволяет обеспечить преимущественные условия для лазерной генерации на фундаментальной моде. Когда контактный слой 12 p-типа частично расположен над центральной частью оксидной токовой апертуры 30 между внутрирезонаторным контактным слоем 11 p-типа и диэлектрическим РБО 14, то поглощение на свободных носителях в нем, а также сбой фазы при прохождении света через него ведут к росту оптических потерь для поперечных мод высшего порядка, что позволяет реализовать режим одномодовой генерации при умеренных размерах оксидной токовой апертуры 10. Дополнительная селекция поперечных мод реализуется при вариации толщины четвертьволновых слоев в диэлектрическом РБО 14.This long-wavelength vertical-emitting laser with intracavity contacts operates as follows. When a direct bias is applied to the laser (i.e., negative voltage is applied to electrical contact 4 to n-type intracavity contact layer 3, and positive voltage is applied to electrical contact 13 to p-type contact layer 11), electrons and holes are injected into the optical resonator 7. In the active medium 8, electrons and holes appear simultaneously, which are then captured in the quantum dots of layer 22. The layers 23 surrounding the layers of quantum dots 22 serve to reduce the influence of the underlying layer of 22 dots on the growth of the next layer Quantum dots 22 and prevent the binding effect of vertical dots in the column, as well as inhibit the thermal emission of carriers from the quantum dots. Depending on the thickness and composition of the layers 24-27 that make up the quantum dot layer 22 and the separating layers 23, effective radiative recombination through the ground state of the quantum dots without the formation of defects can be observed in the spectral range of 1.3 μm. With an increase in the pump current, the concentration of charge carriers in the layers of 22 quantum dots increases, and some of the photons produced as a result of the recombination of an electron and a hole through the ground state of quantum dots in the spontaneous emission regime begin to stimulate the production of new photons with the properties of an incident photon (the so-called stimulated emission) and starts the process of avalanche multiplication of photons (optical amplification appears). At some point in the active medium 8 there appears an excess concentration of charge carriers with respect to the equilibrium, i.e. a population inversion occurs, and the stimulated emission begins to prevail over the absorption of the active medium 8. The lower undoped RBO 2, the undoped optical resonator 7, and the upper dielectric RBO 14 form an effective vertical optical microresonator that sets the selected direction of light propagation and provides positive feedback for maintaining laser generation . As soon as the optical gain with increasing pump current reaches the level of total optical losses in the effective vertical optical microcavity (internal optical losses and losses due to radiation output), lasing occurs in the spectral range of 1.3 μm. It should be noted that, due to the low material amplification of quantum dots, it is necessary to increase the number of rows of quantum dots in the active medium 8 and minimize absorption on free carriers in doped layers. The oxide current aperture 10 limits the region of hole injection, and the oxide optical aperture 6 promotes the effective concentration of electrons relative to the region of hole injection. Composite gratings 5 and 9 create barriers for the vertical transport of carriers, which facilitates lateral spreading of carriers over the doped layers and a more uniform injection of carriers into the active medium 8 within the central part of the oxide current aperture 28. Laser radiation is output through the upper dielectric RBO 14. Due to the small The size of the effective vertical optical microcavity in vertically emitting lasers usually there is only one longitudinal mode, but the spectrum of the transverse modes depends on ovnya optical confinement in the lateral direction. Due to the strong jump in the refractive index of the peripheral part 18 (29) with respect to the central part 17 (28), oxide apertures 5 and 9 form an effective two-stage lateral waveguide, which allows providing favorable conditions for fundamental-mode laser generation. When the p-type contact layer 12 is partially located above the central part of the oxide current aperture 30 between the p-type intracavity contact layer 11 and the dielectric RBO 14, absorption on free carriers in it, as well as phase failure when light passes through it, leads to an increase in optical loss for higher order transverse modes, which allows for single-mode generation at moderate oxide current aperture 10. Additional transverse modes are selected by varying the thickness of the quarter-wave layer in in dielectric RBO 14.

Пример 1. Эпитаксиальная гетероструктура для длинноволнового вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами в соответствии с настоящим изобретением была синтезирована методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Эпитаксиальная гетероструктура лазера содержит полуизолирующую подложку GaAs, нижний нелегированный РБО на основе 35 пар чередующихся слоев GaAs и Al0.9Ga0.1As, внутрирезонаторный контактный слой GaAs n-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, композиционную решетку n-типа на основе 3 пар чередующихся слоев GaAs и Al0.9Ga0.1As p-типа с градиентными гетерограницами, включающую один апертурный слой для оптической апертуры, 3λ-оптический резонатор GaAs с активной областью на основе шести групп квантовых точек, композиционную решетку р-типа на основе 5 пар чередующихся слоев GaAs и Al0.9Ga0.1As p-типа с градиентными гетерограницами, включающую один апертурный слой для токовой апертуры, внутрирезонаторный контактный слой GaAs p-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n, контактный слой p-типа с селекцией мод, включающий нижний субслой Al0.9Ga0.1As p-типа 3⋅1018 см-3 и толщиной 3 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования 5⋅1019 см-3 и толщиной 92 нм. Каждая группа квантовых точек расположена в пределах одной пучности стоячей волны моды резонатора и содержит три ряда квантовых точек InAs/InGaAs, причем расстояние между соседними рядами точек составляет 30 нм. Каждый слой квантовых точек содержит слой GaAs толщиной 5 нм, слой InAs с эффективной толщиной 0,75 нм, слой In0.13Ga0.87As толщиной 5 нм, и прикрывающий слой GaAs толщиной 5 нм. Внутрирезонаторный контактный слой n-типа/p-типа в среднем легирован донорами/акцепторами на уровень (5⋅1017-1⋅1018 см-3) и содержит три вставки толщиной 10 нм и уровнем легирования 3⋅1018 см-3, которые расположены в минимуме электромагнитного поля оптической моды резонатора. Композиционная решетка n-типа/p-типа в среднем легирована донорами/акцепторами на уровень (7⋅1017-1.5⋅1018 см-3) с повышением уровня легирования до уровня легирования (2⋅1018-4⋅1018 см-3) на гетерогранице с возрастанием/понижением состава. Толщины и составы слоев были выбраны так, чтобы получить резонансную длину волны вертикального оптического резонатора вблизи 1280 нм. Для формирования омических контактов к слоям n-GaAs и p-GaAs была использована металлизация AuGe/Ni/Au и Ti/Pt/Au, соответственно. Апертурные слои в композиционных решетках методом селективного окисления в парах воды были преобразованы в оптическую и токовую оксидные апертуры. В приборной конструкции лазера оптическая оксидная апертура больше токовой оксидной апертуры на 3 мкм. После селективного удаления контактного слоя p-типа с селекцией мод над центральной частью оксидной токовой апертуры (т.е. в светоизлучающей области) было локально сформировано верхнее диэлектрическое РБО на основе 4 пар четвертьволновых α-Si и SiO2. Приборы с диаметром оксидной токовой апертуры ~7 мкм продемонстрировали одномодовую лазерную генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре вблизи 1280 нм с фактором подавления боковых мод 30 дБ, пороговым током менее 1,5 мА, пороговым напряжением менее 2 В и дифференциальным сопротивлением около 200 Ом (на линейном участке вольт-амперной характеристики).Example 1. The epitaxial heterostructure for a long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts in accordance with the present invention was synthesized by molecular beam epitaxy. The epitaxial laser heterostructure contains a semi-insulating GaAs substrate, a lower undoped DBR based on 35 pairs of alternating GaAs and Al 0.9 Ga 0.1 As layers, an n-type intracavity GaAs contact layer with a thickness of 1.75 ⋅ λ / n, and an n-type composite lattice based on 3 pairs of alternating p-type GaAs and Al 0.9 Ga 0.1 As layers with gradient heterointerfaces, including one aperture layer for an optical aperture, a 3λ GaAs optical cavity with an active region based on six groups of quantum dots, and a p-type composite lattice based on 5 alternating pairs layer GaAs and Al 0.9 Ga 0.1 As p-type with gradient heterointerfaces, including one aperture layer for the current aperture, intracavity GaAs p-type contact layer with a thickness of 1.75 ⋅ λ / n, p-type contact layer with mode selection, including the lower sublayer of Al 0.9 Ga 0.1 As p-type 3⋅10 18 cm -3 and a thickness of 3 nm, and the upper sublayer of GaAs p-type with a doping level of 5⋅10 19 cm -3 and a thickness of 92 nm. Each group of quantum dots is located within the same antinode of a standing wave of the resonator mode and contains three rows of InAs / InGaAs quantum dots, the distance between adjacent rows of dots being 30 nm. Each layer of quantum dots contains a GaAs layer 5 nm thick, an InAs layer with an effective thickness of 0.75 nm, an In 0.13 Ga 0.87 As layer 5 nm thick, and a covering GaAs layer 5 nm thick. The n-type / p-type intracavity contact layer is on average doped with donors / acceptors to a level (5⋅10 17 -1⋅10 18 cm -3 ) and contains three inserts 10 nm thick and a doping level of 3⋅10 18 cm -3 , which are located at the minimum of the electromagnetic field of the optical mode of the resonator. The n-type / p-type composite lattice is on average doped with donors / acceptors to a level (7⋅10 17 -1.5⋅10 18 cm -3 ) with an increase in the doping level to the doping level (2⋅10 18 -4⋅10 18 cm - 3 ) at the heterointerface with increasing / decreasing composition. The thicknesses and compositions of the layers were chosen so as to obtain the resonant wavelength of the vertical optical resonator near 1280 nm. To form ohmic contacts to n-GaAs and p-GaAs layers, we used AuGe / Ni / Au and Ti / Pt / Au metallization, respectively. Aperture layers in composite gratings were transformed into optical and current oxide apertures by the method of selective oxidation in water vapor. In the instrument design of the laser, the optical oxide aperture is 3 μm larger than the current oxide aperture. After selective removal of the p-type contact layer with mode selection above the central part of the oxide current aperture (i.e., in the light-emitting region), the upper dielectric DBR was locally formed based on 4 pairs of quarter-wave α-Si and SiO 2 . Devices with an oxide current aperture diameter of ~ 7 μm demonstrated single-mode laser generation in continuous mode at room temperature near 1280 nm with a side mode suppression factor of 30 dB, a threshold current of less than 1.5 mA, a threshold voltage of less than 2 V, and a differential resistance of about 200 Ohms ( on the linear section of the current-voltage characteristic).

Для сравнения с настоящим решением был изготовлен длинноволновый вертикально-излучающий лазер-прототип с активной областью на основе квантовых точек. Эпитаксиальная структура лазера была выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии на легированной подложке GaAs и включала в себя нижний легированный РБО n-типа на основе 33,5 пар GaAs/Al0.9Ga0.1As, 3λ-GaAs оптический резонатор с активной областью на основе пяти групп квантовых точек InAs/InGaAs, расположенных в пучностях стоячей волны, один апертурный слой Al0.9Ga0.1As, верхний легированный РБО p-типа на основе 22 пар GaAs/Al0.9Ga0.1As и контактный слой GaAs p-типа (Y.H. Chang et al., «InAs-InGaAs Quantum-Dot Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser With Fully Doped DBRs Grown by MB Single-Mode Monolithic Quantum-Dot VCSEL in 1.3 μm With Sidemode Suppression Ratio Over 30dB», Photonics Technology Lettres 18(7), 847 (2006)). Каждая группа квантовых точек содержала три слоя квантовых точек InAs толщиной 2 монослоя, зарощенных слоем In0.15Ga0.85As толщиной 8 нм, и разделенных между собой слоями GaAs толщиной 30 нм. В приборной конструкции лазера использованы металлизация Ti/Pt/Au и AuGe/Ni/Au для формирования омического контакта к слоям p-GaAs и n-GaAs, соответственно. Приборы с диаметром оксидной токовой апертуры ~5-6 мкм при комнатной температуре демонстрировали одномодовую генерацию (с фактором подавления боковых мод 30 дБ) вблизи длины волны 1278 нм с пороговым током ~1,7 мА и дифференциальной эффективностью 0,18 Вт/А. Напряжение открытия составило 1,26 В, однако пороговое напряжение достигало 6,9 В при величине последовательного сопротивления 0,8-1,0 кОм.For comparison with this solution, a long-wavelength vertical emitting laser prototype laser with an active region based on quantum dots was manufactured. The epitaxial structure of the laser was grown by molecular beam epitaxy on a GaAs doped substrate and included a lower doped n-type DBR based on 33.5 pairs of GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As, 3λ-GaAs optical cavity with five active groups InAs / InGaAs quantum dots located at the antinodes of the standing wave, one aperture layer Al 0.9 Ga 0.1 As, upper doped p-type DBR based on 22 GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As pairs, and p-type GaAs contact layer (YH Chang et al ., “InAs-InGaAs Quantum-Dot Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser With Fully Doped DBRs Grown by MB Single-Mode Monolithic Quantum-Dot VCSEL in 1.3 μm With Sidemode Suppre ssion Ratio Over 30dB ”, Photonics Technology Lettres 18 (7), 847 (2006)). Each group of quantum dots contained three layers of InAs quantum dots with a thickness of 2 monolayers, overgrown with an In 0.15 Ga 0.85 As layer 8 nm thick, and separated by 30 nm GaAs layers. In the instrument design of the laser, Ti / Pt / Au and AuGe / Ni / Au metallization were used to form an ohmic contact to p-GaAs and n-GaAs layers, respectively. Devices with an oxide current aperture diameter of ~ 5-6 μm at room temperature showed single-mode generation (with a side mode suppression factor of 30 dB) near a wavelength of 1278 nm with a threshold current of ~ 1.7 mA and a differential efficiency of 0.18 W / A. The opening voltage was 1.26 V, however, the threshold voltage reached 6.9 V with a series resistance of 0.8-1.0 kOhm.

Разработанный длинноволновый вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами в соответствии с настоящим изобретением обладает меньшим значением электрического сопротивления и рабочего напряжения при низком пороговом токе в одномодовом режиме генерации.The developed long-wavelength vertical emitting laser with intracavity contacts in accordance with the present invention has a lower value of electrical resistance and operating voltage at a low threshold current in a single-mode generation mode.

Claims (18)

1. Длинноволновый вертикально-излучающий лазер, включающий полуизолирующую подложку из GaAs, нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, композиционную решетку n-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную оптическую апертуру, нелегированный оптический резонатор, содержащий активную среду на основе по меньшей мере трех рядов квантовых точек InAs/InGaAs, композиционную решетку p-типа, содержащую по меньшей мере одну оксидную токовую апертуру, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, контактный слой p-типа с модовой селекцией и верхний диэлектрический РБО.1. A long-wavelength vertically emitting laser including a semi-insulating GaAs substrate, a lower undoped distributed Bragg reflector (RBO), an n-type intracavity contact layer, an n-type composite lattice containing at least one oxide optical aperture, an undoped optical resonator containing an active medium based on at least three rows of InAs / InGaAs quantum dots, a p-type composite lattice containing at least one oxide current aperture, an intracavity contact layer second p-type contact layer of p-type with selection of mode and an upper dielectric DBR. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что нижний нелегированный РБО содержит по меньшей мере 33 пары чередующихся слоев соответственно из GaAs и из AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, каждый слой имеет толщину λ/4n, где n - показатель преломления соответствующего слоя, λ - резонансная длина волны вертикально-излучающего лазера.2. The laser according to claim 1, characterized in that the lower unalloyed DBR contains at least 33 pairs of alternating layers of GaAs and Al x Ga 1-x As, respectively, where 0.85≤x≤0.95, each layer has thickness λ / 4n, where n is the refractive index of the corresponding layer, λ is the resonant wavelength of a vertically emitting laser. 3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что внутрирезонаторный контактный слой n-типа имеет толщину кратную (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, и состоит из GaAs n-типа с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя, с периодом, равным λ/2n, с увеличением уровня легирования до (2⋅1018-4⋅1018) см-3 на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода при среднем уровне легирования в диапазоне (3⋅1017-1⋅1018) см-3.3. The laser according to claim 1, characterized in that the n-type intracavity contact layer has a multiple of (2k-1) λ / 4n, where 3≤k≤6 is a natural number, and consists of n-type GaAs with a periodic profile doping with donors over the layer thickness, with a period equal to λ / 2n, with an increase in the doping level to (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 for 10-30 nm in the middle of each period with an average doping level in the range ( 3⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 . 4. Лазер по п. 3, отличающийся тем, что на внутрирезонаторном контактном слое n-типа сформирован электрический контакт n-типа.4. The laser according to claim 3, characterized in that an n-type electrical contact is formed on the n-type intracavity contact layer. 5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что композиционная решетка n-типа, содержит 1-3 пар чередующихся слоев соответственно из GaAs и AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤1,0 с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования донорами по толщине слоя с периодом легирования, равном λ/2n*, при среднем уровне легирования (7⋅1017-1⋅1018) см-3 и максимальном уровне легирования на гетерогранице с возрастанием состава в направлении от подложки в диапазоне (2⋅1018-4⋅1018) см-3, при этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n*, где n* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки.5. The laser according to claim 1, characterized in that the n-type composite lattice contains 1-3 pairs of alternating layers of GaAs and Al x Ga 1-x As, respectively, where 0.85≤x≤1.0 with a gradient change composition at heteroboundaries according to a linear or bi-parabolic law, with a periodic doping profile by donors along the layer thickness with a doping period equal to λ / 2n * , with an average doping level (7⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 and a maximum level alloying heterointerface composition with increasing in the direction from the substrate in the range (2⋅10 18 -4⋅10 18) cm -3, with each pair with Oev formed with a total thickness equal to λ / 2n *, where n * - average refractive index value for the layers of the composite grating. 6. Лазер по п. 5, отличающийся тем, что в композиционной решетке n-типа по меньшей мере один слой из AlxGa1-xAs p-типа является оксидной оптической апертурой и в латеральном направлении состоит из центральной части, имеющей диаметр Do оксидной оптической апертуры, выполненной из AlxGa1-xAs, где 0,97≤x≤1,0, периферийной части, выполненной из Al2O3.6. The laser according to claim 5, characterized in that in the n-type composite lattice at least one p-type Al x Ga 1-x As layer is an oxide optical aperture and in the lateral direction consists of a central part having a diameter D o oxide optical aperture made of Al x Ga 1-x As, where 0.97≤x≤1.0, the peripheral part made of Al 2 O 3 . 7. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что нелегированный оптический резонатор выполнен толщиной, кратной kλ/n**, где n** - усредненное значение показателя преломления для слоев оптического резонатора, 3≤k≤6 - натуральное число, и состоит из слоя AlyGa1-yAs, где 0,15≤y≤0,4, в котором на каждый участок толщиной λ/2n** приходится по меньшей мере три последовательно расположенных слоя квантовых точек InAs/InGaAs, отделенных друг от друга слоями из AlxGa1-xAs, где x не более 0,25, толщиной 10-20 нм.7. The laser according to claim 1, characterized in that the undoped optical resonator is made in a multiple of kλ / n ** , where n ** is the average value of the refractive index for the layers of the optical resonator, 3≤k≤6 is a natural number, and consists from the Al y Ga 1-y As layer, where 0.15≤y≤0.4, in which at least three consecutive layers of InAs / InGaAs quantum dots separated from each other for each λ / 2n ** layer layers of Al x Ga 1-x As, where x is not more than 0.25, a thickness of 10-20 nm. 8. Лазер по п. 7, отличающийся тем, что слой квантовых точек InAs/InGaAs содержит слой из GaAs толщиной 5-10 нм, слой из InAs с эффективной толщиной 0,6-1,0 нм, слой из InxGa1-xAs, где 0,1≤x≤0,35, толщиной 3-10 нм, и прикрывающий слой из GaAs толщиной 5-10 нм.8. The laser according to claim 7, characterized in that the InAs / InGaAs quantum dot layer comprises a GaAs layer 5-10 nm thick, an InAs layer with an effective thickness of 0.6-1.0 nm, an In x Ga 1- layer x As, where 0.1≤x≤0.35, 3-10 nm thick, and a GaAs cover layer 5-10 nm thick. 9. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что композиционная решетка p-типа выполнена из 1-6 пар чередующихся слоев соответственно из GaAs и AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤1,0 с градиентным изменением состава на гетерограницах по линейному или би-параболическому закону, с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя с периодом легирования, равном λ/2n*, при среднем уровне легирования (7⋅1017-1⋅1018) см-3 и максимальном уровне легирования на гетерогранице с понижением состава в направлении от подложки в диапазоне (2⋅1018-4⋅1018) см-3, при этом каждая пара слоев выполнена общей толщиной, равной λ/2n*, где n* - усредненное значение показателя преломления для слоев композиционной решетки.9. The laser according to claim 1, characterized in that the p-type composite lattice is made of 1-6 pairs of alternating layers of GaAs and Al x Ga 1-x As, respectively, where 0.85≤x≤1.0 with a gradient change composition at heteroboundaries according to a linear or bi-parabolic law, with a periodic doping profile by acceptors along the layer thickness with a doping period equal to λ / 2n * , with an average doping level (7⋅10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 and a maximum level doping at the heteroboundary with a decrease in the composition in the direction from the substrate in the range (2⋅10 18 -4⋅10 18 ) cm -3 , with each pa The layer of layers was made with a total thickness equal to λ / 2n * , where n * is the average value of the refractive index for the layers of the composite lattice. 10. Лазер по п. 9, отличающийся тем, что в композиционной решетке p-типа по меньшей мере один слой из AlxGa1-xAs p-типа является оксидной токовой апертурой и в латеральном направлении состоит из центральной части, имеющей диаметр Dc оксидной токовой апертуры, выполненной из AlxGa1-xAs, где 0,97≤x≤1, периферийной части, выполненной из Al2O3, причем Dc≤Do.10. The laser according to claim 9, characterized in that in the p-type composite lattice at least one p-type Al x Ga 1-x As layer is an oxide current aperture and in the lateral direction consists of a central part having a diameter D c oxide current aperture made of Al x Ga 1-x As, where 0.97≤x≤1, the peripheral part made of Al 2 O 3 and D c ≤D o . 11. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что внутрирезонаторный контактный слой p-типа состоит из GaAs p-типа толщиной, кратной (2k-1)λ/4n, где 3≤k≤6 - натуральное число, с периодическим профилем легирования акцепторами по толщине слоя, с периодом, равным λ/2n, увеличением уровня легирования до (2⋅1018-8⋅1018) см-3 на протяжении 10-30 нм в середине каждого периода при среднем уровне легирования в диапазоне (3⋅1017-1⋅1018) см-3.11. The laser according to claim 1, characterized in that the p-type intracavity contact layer consists of p-type GaAs with a thickness multiple of (2k-1) λ / 4n, where 3≤k≤6 is a natural number with a periodic doping profile acceptors in the thickness of the layer, with a period equal to λ / 2n, an increase in the doping level to (2⋅10 18 -8⋅10 18 ) cm -3 for 10-30 nm in the middle of each period with an average doping level in the range (3⋅ 10 17 -1⋅10 18 ) cm -3 . 12. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что контактный слой p-типа с селекцией мод содержит нижний субслой AlxGa1-xAs, где 0,85≤x≤0,95, p-типа с уровнем легирования акцепторами (1⋅1018-3⋅1018) см-3 толщиной 3-5 нм, и верхний субслой из GaAs p-типа с уровнем легирования акцепторами (1⋅1019-3⋅1019) см-3 и толщиной λ/4n, расположенный над периферийной частью оксидной токовой апертуры.12. The laser according to claim 1, characterized in that the p-type contact layer with mode selection contains the lower sublayer Al x Ga 1-x As, where 0.85≤x≤0.95, p-type with a doping level of acceptors ( 1⋅10 18 -3⋅10 18 ) cm -3 with a thickness of 3-5 nm, and the upper GaAs p-type sublayer with a doping level of acceptors (1⋅10 19 -3⋅10 19 ) cm -3 and a thickness of λ / 4n located above the peripheral part of the oxide current aperture. 13. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что на контактном слое p-типа с селекцией мод сформирован электрический контакт p-типа.13. The laser according to claim 1, characterized in that a p-type electrical contact is formed on the p-type contact layer with mode selection. 14. Лазер по п. 12, отличающийся тем, что контактный слой p-типа с селекцией мод частично расположен и над центральной частью оксидной токовой апертуры, так что внутренний диаметр Dp контактного слоя p-типа меньше диаметра Dc оксидной токовой апертуры, причем (Dc-Dp)=(3-6) мкм.14. The laser according to claim 12, characterized in that the p-type contact layer with mode selection is partially located above the central part of the oxide current aperture, so that the inner diameter D p of the p-type contact layer is smaller than the diameter D c of the oxide current aperture, (D c -D p ) = (3-6) μm. 15. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что верхний диэлектрический РБО примыкает к внутрирезонаторному контакту p-типа непосредственно над центральной частью оксидной токовой апертуры и содержит чередующиеся диэлектрические слои с разным показателем преломления, при этом каждый слой имеет в центре толщину λ/4n.15. The laser according to claim 1, characterized in that the upper dielectric RBO is adjacent to the p-type intracavity contact directly above the central part of the oxide current aperture and contains alternating dielectric layers with different refractive indices, each layer having a thickness of λ / 4n in the center . 16. Лазер по п. 15, отличающийся тем, что верхний диэлектрический РБО сформирован по меньшей мере из 7 пар чередующихся слоев из SiO2 и из TiO2, или из SiO2 и из Ta2O5, или из SiO2 и из Si3N4.16. The laser according to claim 15, characterized in that the upper dielectric DBR is formed of at least 7 pairs of alternating layers of SiO 2 and TiO 2 , or SiO 2 and Ta 2 O 5 , or SiO 2 and Si 3 N 4 . 17. Лазер по п. 15, отличающийся тем, что верхний диэлектрический РБО сформирован по меньшей мере из 3 пар чередующихся слоев SiO2 и α-Si.17. The laser according to claim 15, characterized in that the upper dielectric DBR is formed of at least 3 pairs of alternating layers of SiO 2 and α-Si. 18. Лазер по п. 15, отличающийся тем, что каждый слой имеет толщину, уменьшающуюся по направлению к периферии слоя.18. The laser according to claim 15, characterized in that each layer has a thickness decreasing towards the periphery of the layer.
RU2016148711A 2016-12-13 2016-12-13 Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts RU2703922C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016148711A RU2703922C2 (en) 2016-12-13 2016-12-13 Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016148711A RU2703922C2 (en) 2016-12-13 2016-12-13 Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016148711A RU2016148711A (en) 2019-03-14
RU2016148711A3 RU2016148711A3 (en) 2019-08-01
RU2703922C2 true RU2703922C2 (en) 2019-10-22

Family

ID=65759341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016148711A RU2703922C2 (en) 2016-12-13 2016-12-13 Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2703922C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU199159U1 (en) * 2020-02-21 2020-08-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) SINGLE-PHOTON RADIATOR BASED ON A SINGLE QUANTUM DOT
RU199498U1 (en) * 2019-12-24 2020-09-03 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF A LONG-WAVE VERTICAL-RADIATING LASER
RU200326U1 (en) * 2019-12-24 2020-10-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF A LONG-WAVE VERTICAL-RADIATING LASER WITH SEPARATE CURRENT AND OPTICAL LIMITATIONS

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6750071B2 (en) * 2002-07-06 2004-06-15 Optical Communication Products, Inc. Method of self-aligning an oxide aperture with an annular intra-cavity contact in a long wavelength VCSEL
US6901099B1 (en) * 2001-06-29 2005-05-31 Optical Communication Products, Inc. Antiguide single mode vertical cavity laser
US6931042B2 (en) * 2000-05-31 2005-08-16 Sandia Corporation Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
RU2278072C2 (en) * 2004-05-12 2006-06-20 Рязанский государственный педагогический университет им. С.А. Есенина (РГПУ) Semiconductor nano-structure with composite quantum well
EP2033282B1 (en) * 2006-06-16 2012-10-31 Russian limited liability company "Connector Optics" Optoelectronic device for high-speed data transfer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6931042B2 (en) * 2000-05-31 2005-08-16 Sandia Corporation Long wavelength vertical cavity surface emitting laser
US6901099B1 (en) * 2001-06-29 2005-05-31 Optical Communication Products, Inc. Antiguide single mode vertical cavity laser
US6750071B2 (en) * 2002-07-06 2004-06-15 Optical Communication Products, Inc. Method of self-aligning an oxide aperture with an annular intra-cavity contact in a long wavelength VCSEL
RU2278072C2 (en) * 2004-05-12 2006-06-20 Рязанский государственный педагогический университет им. С.А. Есенина (РГПУ) Semiconductor nano-structure with composite quantum well
EP2033282B1 (en) * 2006-06-16 2012-10-31 Russian limited liability company "Connector Optics" Optoelectronic device for high-speed data transfer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU199498U1 (en) * 2019-12-24 2020-09-03 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF A LONG-WAVE VERTICAL-RADIATING LASER
RU200326U1 (en) * 2019-12-24 2020-10-16 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) HETEROSTRUCTURE OF A LONG-WAVE VERTICAL-RADIATING LASER WITH SEPARATE CURRENT AND OPTICAL LIMITATIONS
RU199159U1 (en) * 2020-02-21 2020-08-19 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) SINGLE-PHOTON RADIATOR BASED ON A SINGLE QUANTUM DOT

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016148711A3 (en) 2019-08-01
RU2016148711A (en) 2019-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6795478B2 (en) VCSEL with antiguide current confinement layer
US8279519B2 (en) Semiconductor optical modulator, an optical amplifier and an integrated semiconductor light-emitting device
EP0497052B1 (en) Vertical cavity surface emitting lasers with transparent electrodes
Huffaker et al. Quantum dot vertical-cavity surface-emitting laser with a dielectric aperture
US7288421B2 (en) Method for forming an optoelectronic device having an isolation layer
US6859477B2 (en) Optoelectronic and electronic devices based on quantum dots having proximity-placed acceptor impurities, and methods therefor
US20050063440A1 (en) Epitaxial mode-confined vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and method of manufacturing same
US7856045B2 (en) Surface emitting semiconductor component
US8031752B1 (en) VCSEL optimized for high speed data
US9917421B2 (en) P-type isolation regions adjacent to semiconductor laser facets
JP2009518833A (en) Laser light source with broadband spectral emission
CN103311805A (en) Semiconductor stack and vertical cavity surface emitting laser
JP5029254B2 (en) Surface emitting laser
RU2703922C2 (en) Long-wave vertical-emitting laser with intracavity contacts
US20060093003A1 (en) Semiconductor laser device and process for preparing the same
WO2006108528A1 (en) Fundamental-frequency monolithic mode-locked diode laser including multiple gain and absorber pairs
EP1289082A2 (en) Semiconductor laser device having selective absorption qualities over a wide temperature range
US20070290191A1 (en) Resonant cavity optoelectronic device with suppressed parasitic modes
RU2611555C1 (en) Semiconductor vertically-emitting laser with intracavity contacts
KR101997787B1 (en) Manufacturing method of vertical-cavity surface-emitting laser
WO2004064211A1 (en) Laser array
JPWO2008078595A1 (en) Surface emitting laser
Johnson et al. Long-wavelength VCSELs at honeywell
RU2704214C1 (en) Vertical-emitting laser with intracavity contacts and dielectric mirror
US20100014549A1 (en) Surface Emitting Semiconductor Body with Vertical Emission Direction and Stabilized Emission Wavelength